油酸润滑性能对磁流变液屈服行为的影响

《Lubricants》：Effect of Oleic Acid Lubricating Performance on Yield Behavior of Magnetorheological Fluid

　　

从摩擦学（tribology）视角研究了不同浓度油酸对磁流变液（MRF）的屈服行为的影响。不同浓度的油酸（OA）通过改变基载液的润滑性能而影响磁流变效应。载液较好的润滑性会导致更低的剪切应力。颗粒间摩擦以及颗粒与平板间摩擦均构成剪切应力的一部分。润滑与剪切共同促进结构演化。在良好润滑条件下，MRF的剪切变稀过程被延迟，颗粒更易发生滚动。摩擦力与布朗力（Brownian force）、Stokes力以及磁吸引力共同影响MRF的结构演化。本研究为磁流变液的配方设计提供了新的理论依据，有助于降低设计成本并提高生产效率。

该论文发表于《Lubricants》，聚焦于磁流变液（magnetorheological fluid, MRF）中一个长期被相对忽视但对流变响应具有关键影响的问题，即基载液润滑性能及界面摩擦状态对屈服行为和结构演化的调控作用。磁流变液是一类由铁磁性微米颗粒分散于载液中形成的智能流体，在外加磁场作用下可快速形成链状、柱状或层状结构，从而表现出显著的表观黏度变化与屈服应力。既有研究主要围绕颗粒磁化、磁偶极相互作用以及磁场强度对屈服应力的贡献展开，并多采用Bingham模型（宾汉模型）解释其受剪切时的响应机制。然而，这类经典模型通常将屈服归因于链状结构在剪切下的断裂与颗粒分离，对颗粒—颗粒、颗粒—极板之间摩擦力的作用考虑不足。近年来虽然已有研究指出壁滑移效应（wall slip effect）、表面粗糙度和界面摩擦会改变屈服应力，但对“载液润滑性能—摩擦状态—结构演化—屈服行为”这一完整链条的系统研究仍较缺乏。因此，开展该研究的必要性在于：阐明摩擦是否不仅构成剪切应力的一部分，而且还是决定磁流变液内部结构演化的重要基础作用力，从而为MRF配方设计提供新的理论路径。

研究人员以油酸（oleic acid, OA）作为有机摩擦改进剂，在聚α-烯烃基础油PAO2中引入不同质量分数OA，构建具有不同润滑性能的载液体系，并进一步制备含羰基铁（carbonyl iron, CI）颗粒的MRF样品。研究人员比较了普通润滑与良好润滑条件下MRF的摩擦学行为、剪切应力、屈服应力、法向应力、剪切增稠现象以及极板间距变化规律，重点分析摩擦对力传递机制和微观结构演化的影响。研究表明，改善载液润滑性能会显著降低剪切应力和屈服应力，且这种降幅明显超过既往仅通过改变电极表面粗糙度所观察到的幅度，说明摩擦不仅是边界界面上的附加阻力，而且深度参与了颗粒结构演化。论文最终提出：摩擦力应与布朗力、Stokes阻力和磁吸引力并列，作为影响MRF结构形成与转变的基本作用因素之一；同时，摩擦还可被理解为一种阻碍结构演化的“活化能”。这一认识对于低成本、高效率地调控磁流变液性能具有重要意义。

本研究主要采用三类关键技术方法。其一，配方制备方面，以PAO2为基载液，加入0%、0.02%、0.05%、0.1%、0.5%和1%（wt）的OA，并与CI颗粒按81:19质量比混合，制备不同润滑状态的MRF样品。其二，摩擦学测试方面，采用球-三平板摩擦试验装置，在Fe–Ti与Fe–Fe摩擦副条件下测定基液及MRF的摩擦系数变化。其三，流变学测试方面，利用流变仪在不同激励电流（Iex）、不同剪切速率以及不同极板材料条件下测试剪切应力（τ）与法向应力（N），并结合Bingham模型和幂律关系进行拟合分析，以评估屈服应力及其与磁场响应的关联。

3.1. Influence of Friction on Shear Stress in MR Effects
该部分首先通过摩擦试验证明，OA的加入可显著降低PAO2基液在Fe–Ti和Fe–Fe摩擦副中的摩擦系数，且在边界润滑区下降幅最为明显。对应地，MRF的流变行为也随之改变：加入OA后，剪切应力显著降低，且在0.05 wt%时降幅最明显，这与有机摩擦改进剂最佳润滑浓度区间相吻合。据此，研究人员认为MRF流变性能变化的直接原因在于载液润滑性能的改变。进一步的剪切应力–Iex测试表明，在未加OA时，低剪切速率下更易出现突变性剪切增稠；加入OA后，应力随激励电流变化更平滑，说明良好润滑抑制或延后了由摩擦主导的结构突变。基于Bingham模型计算，加入OA后屈服应力约下降50%，在部分条件下剪切应力降幅可达70%。论文据此指出，颗粒间及颗粒—极板间摩擦均应视为剪切应力的重要组成部分，但这种大幅下降并不能简单等同于“摩擦在总剪切应力中的占比”，因为润滑改善同时改变了内部结构与受力机制。研究还通过τ与Iex的幂律关系拟合发现，在良好润滑下，低、高剪切速率条件下的τ均更接近“摩擦屈服应力”特征指数，而普通润滑下高剪切速率则更接近“Bingham屈服应力”特征，说明润滑状态会改变MRF中主导的应力传递模式。

围绕法向应力与应力比，研究结果显示，加入OA后法向应力随Iex增长的规律发生变化，剪切应力/法向应力比值τ/N显著下降，且对剪切速率的敏感性减弱。这表明良好润滑不仅降低切向摩擦，也降低了链柱结构对极板的压紧程度。研究人员据此提出一种机制解释：摩擦可能通过提高结构演化的附加活化能，阻碍颗粒体系从亚稳态向热力学更稳定的结构转变；而润滑改善则降低该活化能，使颗粒结构更易达到稳定状态。

3.2. Friction Force as a Kind of Basic Force to Influence Rheological Performances of MRF
这一部分是论文的理论核心。研究人员指出，传统关于MRF结构形成的分析主要考虑布朗力、Stokes阻力、磁力以及无量纲参数Mason数（Mn），而忽略了摩擦在结构演化中的基础作用。结合实验现象，论文提出摩擦不仅参与剪切力传递，而且本身就是影响结构演化的重要内禀作用力。

3.2.1. Friction Caused Evolution Activation Energy
在该小节中，研究人员提出“摩擦导致结构演化活化能Ea（friction）”的概念。其核心观点是：高摩擦系数（COF）会将颗粒“锁定”在热力学亚稳、动力学稳定的结构中，阻碍其进一步重组为更稳定的链状或其他排列形式；而OA作为摩擦改进剂可降低Ea（friction），类似于摩擦化学反应中的“催化剂”，促进颗粒克服结构演化障碍。与此同时，Stokes力相当于一种机械激发，也能帮助颗粒跨越该活化能，因此“较高剪切速率”和“较好润滑性能”常呈现相似的流变效应。实验中，在低剪切速率且润滑较差时，法向应力随Iex变化的幂指数偏离理论值；加入OA或提高剪切速率后，该指数更接近理论预测，说明颗粒结构更接近热力学稳定状态。研究还观察到，随着Iex升高，极板间距d会增大，而良好润滑可推迟这一变化阈值，说明低摩擦更有利于颗粒重组形成新的链，而非被局部静摩擦阻滞在原有结构上。

3.2.2. Low Friction Caused More Rolling of Particles
该小节进一步从颗粒运动学角度解释润滑效应。研究人员认为，在MR效应中颗粒滚动具有普遍性，且高滚动/滑动比有助于降低剪切应力。低摩擦和低剪切速率是实现高滚动/滑动比的基础条件；相反，在高磁场或高摩擦条件下，颗粒间及颗粒—极板间摩擦增大，会抑制颗粒滚动，使其更易转为滑移甚至结构分离，从而导致剪切增稠。实验结果表明，OA对高固含分散体系在高剪切速率下的固有剪切增稠影响不明显，但可使低剪切速率下由磁场诱发的剪切增稠更难出现，并将其推迟至更高磁场或特定更低剪切速率区间。这说明改善润滑主要通过降低界面摩擦、提高颗粒滚动能力，延缓摩擦主导的结构突变。

讨论部分综合表明，本研究相较既有文献的主要推进在于：过去通过改变极板粗糙度得到的屈服应力变化多在10%–20%范围，而本研究通过调节载液润滑性能使屈服应力下降约50%甚至70%，说明载液润滑状态对MRF的影响远超单纯壁面摩擦修饰。研究据此强调，摩擦既是剪切应力传递的重要组成，又深刻影响颗粒结构演化路径。更优润滑不仅降低边界与颗粒间摩擦，还削弱了摩擦对结构重组的限制，使颗粒更易滚动、重排并形成更稳定结构，因此润滑效应和适度提高剪切速率在流变响应上常表现出同向性。这一认识突破了仅以磁力—黏性竞争解释MRF行为的传统框架，为MRF设计提供了新的摩擦学视角。

研究结论部分可译为：本文通过调节油酸添加比例，并结合不同材料摩擦副与极板材料（Fe–Fe/Fe–Ti），改变了磁流变液内部颗粒—颗粒及颗粒—极板关键界面的润滑状态，从而调控了MRF的力学/磁响应行为。实验结果表明，关键界面的润滑状态会显著影响磁流变液的剪切应力和屈服应力，并能够有效调节磁流变效应。具体而言：第一，摩擦力是剪切应力的重要组成部分；载液润滑性能越高，颗粒间及颗粒—极板间摩擦力越低，MRF的剪切应力和屈服应力越小。第二，在低剪切速率和较差润滑条件下，法向应力随激励电流变化呈较低幂指数；低摩擦会促进颗粒滚动，摩擦类似于阻碍结构演化的活化能，因此低摩擦与低磁场强度有助于延缓剪切增稠。第三，OA存在最佳添加范围；当添加量低于临界值时，随OA质量分数增加，基液润滑性能提高，MRF剪切应力降低；本研究中最优添加量为0.05 wt%，超过该比例后机械性能差异不再显著。总体而言，该研究为磁流变液配方设计与制备提供了有效理论基础，表明可通过调节基液润滑性能实现对磁流变效应的定向调控，从而降低设计成本并提高生产效率。